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重型商用車側(cè)風(fēng)下通過高速路隧道的氣動(dòng)特性仿真研究|AutoAero201910期
2019-06-13 23:00:27· 來源：馬曉靜 AutoAero
引言重型商用車因?yàn)槠渫庑翁攸c(diǎn)導(dǎo)致對側(cè)風(fēng)敏感度很高，尤其在高速路隧道高速行駛時(shí)，車輛在進(jìn)出隧道口時(shí)，側(cè)風(fēng)會嚴(yán)重影響其氣動(dòng)特性，極易引發(fā)交通事故。湖南大學(xué)
引言
重型商用車因?yàn)槠渫庑翁攸c(diǎn)導(dǎo)致對側(cè)風(fēng)敏感度很高，尤其在高速路隧道高速行駛時(shí)，車輛在進(jìn)出隧道口時(shí)，側(cè)風(fēng)會嚴(yán)重影響其氣動(dòng)特性，極易引發(fā)交通事故。湖南大學(xué)谷正氣教授研究了氣動(dòng)側(cè)向力對汽車動(dòng)力性和操縱穩(wěn)定性等性能的影響，并根據(jù)參數(shù)關(guān)系建立了數(shù)學(xué)模型。 Ramaiah高等研究學(xué)院運(yùn)用FLUENT軟件對客車的側(cè)風(fēng)下氣動(dòng)特性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究；吉林大學(xué)郭孔輝院士團(tuán)隊(duì)針對Audi100轎 車各項(xiàng)參數(shù)，研究了側(cè)風(fēng)對其穩(wěn)定性的影響；瑞典皇家理工學(xué)院研究了側(cè)風(fēng)引起的氣動(dòng)力對高速軌道車輛穩(wěn)定性的影響；湖南大學(xué)研究了側(cè)風(fēng)對汽車在高速行駛過程中側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性的影響；日本北海道大學(xué)用大渦模擬法研究了受非穩(wěn)態(tài)側(cè)風(fēng)的道路車輛瞬態(tài)氣動(dòng)響應(yīng)；吉林大學(xué)運(yùn)用參數(shù)化仿真軟件CarSim研究了某型號國產(chǎn)轎車高速行駛時(shí)受側(cè)風(fēng)作用下的各項(xiàng)性能參數(shù)變化。由此可見，國內(nèi)外研究人員對各型車輛側(cè)風(fēng)研究已比較成熟，但是對重型商用車在側(cè)風(fēng)下通過高速路連續(xù)隧道這一工況的研究仍較少。
本文通過STAR CCM+計(jì)算流體軟件對某型重型商用車行駛通過高速路隧道時(shí)的側(cè)風(fēng)工況進(jìn)行CFD仿真分析，以得到在此工況下的車輛氣動(dòng)特性以及周圍流場變化規(guī)律，為后續(xù)重型商用車在高速路隧道行駛時(shí)的側(cè)風(fēng)工況研究提供重要參考價(jià)值，并為以后的重型商用車側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性和側(cè)風(fēng)安全性開發(fā)提供設(shè)計(jì)依據(jù)。
有限元模型建立及模擬方案分析
模型的建立
如圖1所示，隧道模型的斷面幾何尺寸根據(jù)公路隧道斷面輪廓設(shè)計(jì)，隧道半徑R為5.4m，最大高度為7m。圖2為重型商用車關(guān)鍵整車尺寸。
圖1 隧道斷面尺寸示意圖
圖2 重型商用車模型
模擬方案分析
如圖3所示，本文對重型商用車在側(cè)風(fēng)中分別行駛通過一段單行隧道和兩段單行高速路隧道作為兩種研究方案。由于地理?xiàng)l件的不同，高速路隧道形式千差萬別，兩種方案中的第一段單行隧道長度都是24m，只為保證重型商用車在隧道中行駛時(shí)，處于穩(wěn)定的側(cè)風(fēng)流場中；方案二中的第二段單行隧道長度18m，兩段隧道間隔18m，以實(shí)現(xiàn)重型商用車在進(jìn)入和駛出第二段隧道過程中，車體表面受到的側(cè)風(fēng)氣流經(jīng)歷從有至無和從無到有的瞬態(tài)變化過程，這種變化對重型商用車行駛穩(wěn)定性影響較大。
（a） 方案一
（b） 方案二
圖3 隧道布置形式示意圖
網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)置
網(wǎng)格劃分策略
本文采用STAR CCM+重疊網(wǎng)格技術(shù)實(shí)現(xiàn)整車的水平移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)車輛在路面的行駛并通過隧道側(cè)風(fēng)帶的瞬態(tài)模擬，考慮隧道空間大小，包裹車輛并隨其一起運(yùn)動(dòng)的小計(jì)算域(即overset region)的空間尺寸為長20m，寬7.5m及高度5m，如圖4。大計(jì)算域的體網(wǎng)格選用切割體網(wǎng)格，這樣也是為了更好的模擬流場和節(jié)省網(wǎng)格數(shù)，隧道及車身周圍采用最小尺寸為5mm網(wǎng)格進(jìn)行了適當(dāng)加密處理。包裹整車的小計(jì)算域采用多面體網(wǎng)格模型，這樣就可以在保證計(jì)算精度的同時(shí)，減少網(wǎng)格總數(shù);為了更清楚的觀察車身及加密通道的流場變化，車身表面選用5cm厚邊界層網(wǎng)格加密，第一層網(wǎng)格厚0.5mm，以1.5倍增長，選用All y+值壁面函數(shù)，經(jīng)計(jì)算車體表面y+值約30，滿足湍流模型的計(jì)算要求（5≤y+≤30），使其生成的邊界層網(wǎng)格可以更好的模擬車身表面及周圍流場流動(dòng)細(xì)節(jié)，最終劃分體網(wǎng)格數(shù)為600萬（方案一）和970萬（方案二）。圖5為兩種隧道方案的計(jì)算域分布和體網(wǎng)格劃分示意圖。
本文之所以采用STAR CCM+計(jì)算流體軟件，主要是因?yàn)槠湓谀M汽車流場方面具有計(jì)算結(jié)果不易發(fā)散且易收斂的優(yōu)點(diǎn)。
圖4 Overset Region尺寸示意圖
（a） 計(jì)算域網(wǎng)格分布前視圖
(b1) 方案一
(b2) 方案二
（b） 計(jì)算域網(wǎng)格分布俯視圖
圖5 兩方案網(wǎng)格分布圖
邊界條件設(shè)置
根據(jù)我國高速公路隧道限速要求普遍為80km/h，兩種方案中的重型商用車行駛速度取其限制上限80km/h(22.2m/s)進(jìn)行，以便更真實(shí)地分析高速路工況。本文設(shè)置兩種方案對比車輛通過第一段隧道時(shí)，不同側(cè)風(fēng)速度對重型商用車行駛穩(wěn)定性的影響，方案一選取高速路中常見的五級風(fēng)速，即10m/s的側(cè)風(fēng)速度，而方案二側(cè)風(fēng)速度設(shè)置為13m/s，即六級風(fēng)速（用速度入口實(shí)現(xiàn)）。
在進(jìn)行瞬態(tài)數(shù)值仿真研究中，需要設(shè)定仿真的時(shí)間步長，時(shí)間步長一般通過下公式獲得：
式中，ΔL 為網(wǎng)格的最小尺度，v 為流體的運(yùn)動(dòng)速度，C 為無量綱的庫朗數(shù)（Courantnumber），用來控制計(jì)算時(shí)的時(shí)間步長，也就是時(shí)間步長與空間步長的相對關(guān)系。一般當(dāng)C≤1時(shí)，瞬態(tài)數(shù)值計(jì)算相對容易收斂。本文根據(jù)最小網(wǎng)格尺寸和流體速度，選用時(shí)間步長為0.001s。
湍流模型及離散格式、具體的物理?xiàng)l件設(shè)置如表1所示。
表1 邊界條件設(shè)置情況
不同隧道形式及側(cè)風(fēng)大小仿真結(jié)果分析
參考點(diǎn)及坐標(biāo)系的建立
本文研究重點(diǎn)是對重型商用車通過不同的隧道形式進(jìn)行數(shù)值模擬，對比分析不同側(cè)風(fēng)速度對車輛通過一段單行隧道時(shí)的影響，并研究側(cè)風(fēng)對車輛通過連續(xù)隧道時(shí)氣動(dòng)特性的具體影響。
重型商用車空氣動(dòng)力學(xué)參考點(diǎn)是根據(jù)美國汽車工程協(xié)會（SAE）相關(guān)規(guī)定確定的，汽車中心對稱面與前軸距一半的軸向平行線交點(diǎn)在地面的投影。汽車坐標(biāo)系及各坐標(biāo)軸方向規(guī)定為：以空氣動(dòng)力學(xué)參考點(diǎn)為原點(diǎn)，車輛前進(jìn)方向?yàn)閄軸正向，垂直向下為Z軸正向，由右手螺旋定則確定Y軸正向。如圖6所示，為該模型矩點(diǎn)位置、坐標(biāo)系及六分力示意圖，A為參考點(diǎn)，a為軸距。
（a）側(cè)視圖
（b）俯視圖
（c）汽車坐標(biāo)系及六分力示意圖
圖6 坐標(biāo)系、六分力及模型參考點(diǎn)位置示意圖
無量綱的氣動(dòng)力系數(shù)及氣動(dòng)力矩系數(shù)是研究車輛氣動(dòng)特性的重要參數(shù)，可由以下氣動(dòng)力、氣動(dòng)力矩公式求得：
式中，CF為氣動(dòng)力系數(shù)，CM為氣動(dòng)力矩系數(shù)，ρ為空氣密度（kg/m3），v為車速（m/s），A為正向迎風(fēng)面積（m2），L為軸距（m）。
為了確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度，本文要保證仿真結(jié)果是在重型商用車周圍流場穩(wěn)定的前提下獲得的，所以需要對重型商用車行駛在沒有隧道的開闊路段工況，對其氣動(dòng)特性進(jìn)行仿真分析，得出其周圍流場達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)刻，為后續(xù)工況下流場穩(wěn)定時(shí)刻的判定提供參考依據(jù)。重型商用車由于其較大的側(cè)面迎風(fēng)面積，選取較敏感的氣動(dòng)力系數(shù)主要有: Cs(側(cè)向力系數(shù))、Crm（側(cè)傾力矩系數(shù)）及Cym(橫擺力矩系數(shù))，它們可以較好得反應(yīng)出車輛在側(cè)風(fēng)下的行駛狀態(tài)，方便后續(xù)對車輛側(cè)風(fēng)行駛穩(wěn)定性和安全性的研究。圖6為重型商用車行駛于開闊路段時(shí)所受氣動(dòng)六分力系數(shù)隨時(shí)間(t)的變化曲線。由圖可知，在瞬態(tài)物理時(shí)間達(dá)到1s時(shí)，重型商用車的各個(gè)氣動(dòng)力系數(shù)已經(jīng)趨于穩(wěn)定，這也證明了車身周圍流場已達(dá)到穩(wěn)定，仿真計(jì)算結(jié)果真實(shí)可靠。
圖7 重型商用車開闊路段行駛的氣動(dòng)六分力系數(shù)變化
觀測點(diǎn)設(shè)置方案
圖8為重型商用車在兩種隧道方案的行程時(shí)間及觀測點(diǎn)示意圖，圖中可以看出重型商用車車頭分別行駛至隧道出入口的時(shí)間點(diǎn)。本文中兩方案的觀測點(diǎn)設(shè)置相同，由于通過的隧道距離較短和重型商用車車身長度較長，所以選取其每過0.1s(即每行駛2.22m)一個(gè)觀測點(diǎn)的布置方式。方案一重型商用車行駛78m，所以有35個(gè)觀測點(diǎn)，行駛時(shí)間約為3.5s;同理，方案二重型商用車行駛111m，用時(shí)約5s，可以得到50個(gè)觀測點(diǎn)。從圖7可得，重型商用車通過兩種方案的第一段隧道進(jìn)口、出口的時(shí)刻是相同的，即進(jìn)口時(shí)刻都是1.1s和出口時(shí)刻都是2.2s;同時(shí)，方案二中重型商用車車頭到達(dá)第二段隧道入口和出口的時(shí)刻是t=3s和t=3.8s。
（a） 方案一
（b） 方案二
圖8 觀測點(diǎn)示意圖
兩方案氣動(dòng)系數(shù)對比分析
圖9分別為重型商用車完全駛過兩種方案高速路隧道的氣動(dòng)力系數(shù)（即Cs、Crm和Cym）變化曲線。
由于方案一與方案二前3s內(nèi)，除側(cè)風(fēng)速度不同外，車輛所經(jīng)過的側(cè)風(fēng)環(huán)境相同，所以兩方案中重型商用車的氣動(dòng)六分力系數(shù)的變化趨勢總體相同;并且由于方案二側(cè)風(fēng)速度大于方案一，因此重型商用車在通過側(cè)風(fēng)時(shí)，方案二各氣動(dòng)系數(shù)都高于方案一，而且使得側(cè)向力系數(shù)和橫擺力矩系數(shù)峰值顯著較方案一大，在完全進(jìn)入隧道時(shí)車輛不受側(cè)風(fēng)影響，使得受到的側(cè)向力基本相同，這在圖9(a)(b)中可以體現(xiàn);重型商用車進(jìn)入隧道前后，由圖9(b)(c)可知，側(cè)傾力矩系數(shù)、橫擺力矩系數(shù)方向發(fā)生了變化，圖9(a)(b)中，側(cè)向力系數(shù)和側(cè)傾力矩系數(shù)有類似的趨勢，在車輛駛?cè)霑r(shí)顯著減少，駛出時(shí)突然增大，惡化了重型商用車在進(jìn)出隧道口時(shí)的行駛穩(wěn)定性。
（a） 兩方案側(cè)向力系數(shù)Cs值變化圖
（b） 兩方案側(cè)傾力矩系數(shù)Crm值變化圖
（c）兩方案橫擺力矩系數(shù)Cym值變化圖
圖9 重型商用車氣動(dòng)力系數(shù)變化圖
當(dāng)重型商用車進(jìn)入隧道時(shí)，車身前部處于隧道無風(fēng)側(cè)，車身后部處于側(cè)風(fēng)中，隨著側(cè)風(fēng)帶作用于車身的側(cè)向力減少，迎風(fēng)側(cè)高壓區(qū)后移，隧道無風(fēng)側(cè)前移，使整車側(cè)向壓力失衡，橫擺力矩增加。表2和表3列出了兩種方案重型商用車通過第一段隧道入口和出口過程中橫擺力矩的變化量，用來分析其行駛姿態(tài)的變化。表2可以看出，方案一中，當(dāng)t=1.3s時(shí)重型商用車車身只有一部分進(jìn)入隧道仍有一部分在側(cè)風(fēng)環(huán)境中，導(dǎo)致整車車身的橫擺力矩急劇增大;當(dāng)t=1.7s時(shí)整車已完全進(jìn)入隧道，不再受側(cè)風(fēng)影響，其橫擺力矩又迅速減小，僅在0.4s時(shí)間內(nèi)其變化率(單位時(shí)間內(nèi)的力矩變化)就達(dá)到了34.8 kN?m/s，t=2.2~2.8s，重型商用車已經(jīng)完全從隧道駛出，側(cè)風(fēng)在經(jīng)過從無到有的過程中，可以得到其變化率為-18.1 kN?m/s;從表3同樣可以看出，方案二有相同的變化，但由于方案二中側(cè)風(fēng)速度比方案一的大一個(gè)風(fēng)級，所以橫擺力矩變化率比方案一大了很多，比如t=1.3~1.7s僅0.4s內(nèi)變化率達(dá)到了45.9 kN?m/s，增幅達(dá)31.9%，橫擺力矩對側(cè)風(fēng)速度比較敏感，會導(dǎo)致偏航角的不斷增加使車輛跑偏，這對于迎風(fēng)面積較大的重型商用車來說，顯著惡化了車輛的行駛穩(wěn)定性和安全性。
表2 方案一橫擺力矩變化量
表3方案二橫擺力矩變化量
方案二流場分析
本文為了能夠清楚直觀地觀察到重型商用車在通過方案二中的連續(xù)隧道時(shí)的氣動(dòng)特性及其變化規(guī)律，如圖10所示，選取Z=1.5m截面處整車通過連續(xù)隧道時(shí)的速度云圖。
(a) t=1s
(b) t=1.3s
(c) t=1.7s
(d) t=2.2s
(e) t=2.5s
（f）t=2.8s
(g) t=3.2s
(h) t=3.7s
(i) t=4s
(j) t=4.3s
圖10 方案二：Z=1.5m截面速度云圖
在圖10(a)時(shí)刻，重型商用車車頭在t=1s靠近第一段隧道入口時(shí)，車身仍完全處于側(cè)風(fēng)環(huán)境中，車身周圍風(fēng)速較大。車輛行駛至圖10(b)t=1.3s時(shí)，車身前半部分已進(jìn)入第一段隧道低速區(qū)域，而后半部仍處在側(cè)風(fēng)帶高速流場中，此時(shí)，只有橫擺力矩系數(shù)會急劇增大而其他氣動(dòng)力系數(shù)都開始減小，直到圖10(c)、(d)，t=1.7~2.2s時(shí)，重型商用車整車已完全處于隧道低速流場中，氣動(dòng)力系數(shù)值都趨于平穩(wěn)且數(shù)值較低。重型商用車在駛離第一段隧道過程中，在圖10(e)，t=2.5s時(shí)刻，整車車身已駛離隧道的前半部分處于側(cè)風(fēng)帶高速流場中，而后半部分仍在第一段隧道的低速流場中，這樣就導(dǎo)致了車身前后壓差方向與圖10(b)，t=1.3s時(shí)刻相反，從而使俯仰力矩及橫擺力矩改變方向，這也解釋了圖9氣動(dòng)力系數(shù)正負(fù)分布。圖10(f)，t=2.8s時(shí)刻，重型商用車已完全駛離隧道并處于側(cè)風(fēng)帶高速流場中，各氣動(dòng)系數(shù)重新回到圖10(a)的初始狀態(tài)。在圖10(g)，t=3.2s時(shí)刻，重型商用車車頭部分進(jìn)入第二條隧道，其氣動(dòng)特性變化規(guī)律跟通過第一條隧道類似，在圖10(h)，t=3.7s時(shí)刻，重型商用車已完全進(jìn)入第二條隧道并處于無側(cè)風(fēng)流場中，與通過第一條隧道t=1.7~2.2s類似，在圖10(i)、(j)，t=4~4.3s時(shí)，車輛從第二條隧道中駛出，流場變化與通過第一條隧道類似。
(a) t=1.3s
(b) t=1.9s
(c) t=2.8s
(d) t=3.2s
(e) t=3.7s
(f) t=4.0s
(g) t=4.3s
圖11 縱向中部截面速度矢量圖
由圖11可知，重型商用車在進(jìn)入第一段隧道過程中，t=1.3s時(shí)，車頭已進(jìn)入隧道，而貨箱還在側(cè)風(fēng)環(huán)境中，從而導(dǎo)致貨箱迎風(fēng)側(cè)上邊緣氣流分離，下部經(jīng)車底加速流向背風(fēng)側(cè)，在貨箱背風(fēng)側(cè)形成高速渦漩，使車輛受到較大的側(cè)向力；t=1.9s時(shí)，重型商用車已全部進(jìn)入隧道，由于車輛運(yùn)動(dòng)影響，隧道內(nèi)車輛周圍氣流發(fā)生變向，從背風(fēng)側(cè)流向迎風(fēng)側(cè)，同時(shí)車輛周圍氣流流速下降，這也說明了車輛在進(jìn)入隧道過程中，圖9中車輛所受側(cè)向力系數(shù)、側(cè)傾力矩系數(shù)和橫擺力矩系數(shù)發(fā)生變號現(xiàn)象，且在完全進(jìn)入隧道時(shí)達(dá)到最小（絕對值）；t=2.8s時(shí)，重型商用車已完全駛離第一段隧道，可以看到車廂背風(fēng)側(cè)的下部由車底流過的氣流流速顯著增大，背風(fēng)側(cè)氣流高速區(qū)擴(kuò)大；t=3.2s時(shí)，車輛大部分已駛?cè)氲诙嗡淼?，迎風(fēng)側(cè)氣流已減弱，但仍有氣流經(jīng)貨箱上部和車底流向背風(fēng)側(cè)，并形成渦漩，此時(shí)橫擺力矩系數(shù)達(dá)到峰值；t=3.7s時(shí)，車輛已完全進(jìn)入第二段隧道，周圍氣流流速與分布與通過第一段隧道時(shí)類似；t=4.0s時(shí)，重型商用車頭部和部分貨箱已駛出隧道，中部截面仍在隧道中，貨箱迎風(fēng)側(cè)已有少部分氣流流過；t=4.3s時(shí)，車輛已完全駛出隧道，車輛周圍流場分布與進(jìn)入第一段隧道前類似。
結(jié)論與展望
本文通過對重型商用車通過有側(cè)風(fēng)帶的高速路隧道進(jìn)行了CFD仿真分析，得出以下結(jié)論：
(1) 較高的側(cè)風(fēng)速度對重型商用車的氣動(dòng)特性影響較明顯，隨側(cè)風(fēng)速度增加，氣動(dòng)系數(shù)極值（絕對值）增大，側(cè)風(fēng)風(fēng)速增大一個(gè)風(fēng)級使重型商用車的橫擺力矩變化率增幅高達(dá)31.9%。
(2) 重型商用車在通過隧道出入口時(shí)其行駛穩(wěn)定性相對較差，尤其在重型商用車通過連續(xù)隧道過程中，其氣動(dòng)特性發(fā)生連續(xù)且大幅度波動(dòng)，這將極大惡化重型商用車的行駛穩(wěn)定性和安全性，極易引發(fā)事故。
(3) 駕駛員駕駛重型商用車通過高速路連續(xù)兩個(gè)以上隧道時(shí)要十分警惕，小心駕駛。通過連續(xù)隧道時(shí)側(cè)風(fēng)對氣動(dòng)特性的連續(xù)影響以及不斷增大的偏航角可能會造成車輛的失控及側(cè)翻事故。
本文的CFD研究只對重型商用車在某一瞬態(tài)側(cè)風(fēng)帶工況下，通過高速路隧道時(shí)的氣動(dòng)特性進(jìn)行了分析，研究方案只包括一段隧道和連續(xù)兩段隧道。由于重型商用車在通過實(shí)際高速路隧道時(shí)側(cè)風(fēng)環(huán)境的復(fù)雜性，未來還可以研究增加或減小相鄰兩隧道間距離對車輛氣動(dòng)特性的影響，隧道長度變化影響、車速變化影響、風(fēng)速變化影響等，得出更加詳細(xì)而完善的重型商用車側(cè)風(fēng)下流場變化規(guī)律。
英文版已在SAE發(fā)表，Aerodynamic Characteristics Simulation of Heavy Commercial Vehicles Passing through Expressway Tunnel in Cross Wind 2019-01-0666期
如有意相關(guān)技術(shù)合作，請聯(lián)系張英朝教授，發(fā)郵件至：yingchao@jlu.edu.cn！
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